CN103776837B - 一种led封装的视觉定位装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED晶片共晶焊接视觉定位装置，其包括有依次连接的相机和相机驱动模块，相机驱动模块分别连接有CPLD、第一DSP和第二DSP，CPLD、第一DSP和第二DSP均连接于输出接口，并且通过该输出接口连接于共晶焊接主机，相机驱动模块通过相机获取图像数据，CPLD、第一DSP和第二DSP对图像数据并行处理，并且根据处理结果控制共晶焊接主机对LED晶片定位。该视觉定位装置通过多个处理器组合的并行处理方式，实现高速大容量彩色图像处理，以“DSP+CPLD”方式组成的图像采集处理系统，方便模块化设计，增强视觉检测装置的结构灵活性和通用性，从而大大提高算法效率和实时信号处理速度。

Description

一种LED封装的视觉定位装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及LED晶片共晶焊接技术，尤其涉及一种LED晶片共晶焊接视觉定位装置及其控制方法

背景技术

共晶焊接生产过程需要对大功率LED晶片与陶瓷基板进行视觉定位和质量检测，检测任务包括LED晶片与陶瓷基板的类型、表面缺陷、位置与偏移角度等信息。焊接前的准备工程的视觉检测重点是LED晶片与陶瓷基板类型、有无导致短路或断开的引线连接缺陷、焊接点的位置和角度偏移信息等，为共晶焊接提供高可靠性的检测信号。随着大功率LED晶片模组的集成封装密度越来越高，现有产品无法满足密集LED晶片封装技术对视觉检测精度、速度和可靠性的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种LED晶片共晶焊接视觉定位装置及其控制方法，通过多个处理器组合的并行处理方式，实现高速大容量彩色图像处理，以“DSP+CPLD”方式组成的图像采集处理系统，方便模块化设计，增强视觉检测装置的结构灵活性和通用性，从而大大提高算法效率和实时信号处理速度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种LED晶片共晶焊接视觉定位装置，其包括有依次连接的相机和相机驱动模块，相机驱动模块分别连接有CPLD、第一DSP和第二DSP，CPLD、第一DSP和第二DSP均连接于输出接口，并且通过该输出接口连接于共晶焊接主机，相机驱动模块通过相机获取图像数据，CPLD、第一DSP和第二DSP对图像数据并行处理，并且根据处理结果控制共晶焊接主机对LED晶片定位。

优选地，共晶焊接主机上放置有陶瓷基板，陶瓷基板上方设有能够在水平方向移动的组装头和吸嘴，相机设于组装头上，吸嘴用于拾取LED晶片，并且将LED晶片放置于陶瓷基板。

优选地，陶瓷基板上设有第一缺角检测部、第二缺角检测部和缝隙部，CPLD根据图像数据中LED晶片与第一缺角检测部和第二缺角检测部的距离以及LED晶片与第一缺角检测部的距离确定该LED晶片的位置。

一种LED晶片共晶焊接视觉定位控制方法，其包括如下步骤：步骤1，相机驱动模块驱动相机获取图像数据；步骤2，CPLD、第一DSP和第二DSP对图像数据并行处理，包括图像分割处理、搜索图形轮廓、检测瑕疵和污点以及判定LED晶片的位置；步骤3，通过软件平台和人机界面将处理结果输出至共晶焊接主机，并且由共晶焊接主机对LED晶片进行定位。

优选地，步骤2中，通过模糊逻辑、递阶识别和统计特性算法，对图像数据进行灰度处理。

优选地，步骤3包括：吸嘴拾取LED晶片后，吸嘴在水平方向移动，并由安装在组装头上的相机采集LED晶片的图像数据，根据对图像数据的处理结果，使吸嘴在竖直方向移动，并且将LED晶片焊接到陶瓷基板的预设位置。

本发明公开的LED晶片共晶焊接视觉定位装置中，包括有依次连接的相机和相机驱动模块，相机驱动模块分别连接有CPLD、第一DSP和第二DSP，CPLD、第一DSP和第二DSP均连接于输出接口，并且通过该输出接口连接于共晶焊接主机，相机驱动模块通过相机获取图像数据，CPLD、第一DSP和第二DSP对图像数据并行处理，并且根据处理结果控制共晶焊接主机对LED晶片定位。该视觉定位装置通过多个处理器组合的并行处理方式，实现高速大容量彩色图像处理，以“DSP+CPLD”方式组成的图像采集处理系统，方便模块化设计，增强视觉检测装置的结构灵活性和通用性，从而大大提高算法效率和实时信号处理速度。

附图说明

图1为本发明中图像采集与处理部分的组成框图。

图2为陶瓷基板与LED晶片的位置关系示意图。

图3为视觉定位控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做更加详细的描述。

本发明公开了一种LED晶片共晶焊接视觉定位装置，结合图1和图2所示，其包括有依次连接的相机1和相机驱动模块2，相机驱动模块2分别连接有CPLD3、第一DSP4和第二DSP5，CPLD3、第一DSP4和第二DSP5均连接于输出接口6，并且通过该输出接口6连接于共晶焊接主机，相机驱动模块2通过相机1获取图像数据，CPLD3、第一DSP4和第二DSP5对图像数据并行处理，并且根据处理结果控制共晶焊接主机对LED晶片定位。该视觉定位装置以“DSP+CPLD”方式组成的图像采集处理系统，方便模块化设计，增强视觉检测装置的结构灵活性和通用性，从而大大提高算法效率和实时信号处理速度。

本实施例中，共晶焊接主机上放置有陶瓷基板10，陶瓷基板10上方设有能够在水平方向移动的组装头和吸嘴，相机1设于组装头上，吸嘴用于拾取LED晶片20，并且将LED晶片20放置于陶瓷基板10。陶瓷基板10上设有第一缺角检测部100、第二缺角检测部101和缝隙部102，CPLD3根据图像数据中LED晶片20与第一缺角检测部100和第二缺角检测部101的距离以及LED晶片20与第一缺角检测部100的距离确定该LED晶片20的位置。其中，结合大功率LED芯片模组与陶瓷基板的型号和尺寸变化范围大、需要实时生成匹配模板和不断改进等特点,重点研究基于几何拓扑变换的图像几何变换算法和图像阀值相关算法等，提高检测速度和可靠性。其次，研究自动亮度均衡处理算法、基于结构图案的图像匹配算法、亚像素级边界定位算法、及角度匹配算法以及利用插值原理提高图像匹配精度的算法等，进一步提高视觉检测的速度和精度。从而建立适用于精密电子组装过程的新型视觉检测算法和系统。该视觉检测装置具有超高视觉高速处理自动识别功能，能够检测芯片角落部分缺口、检测芯片轮廓发生变化、检测直线部分缺口。

请参照图1至图3，上述LED晶片共晶焊接视觉定位装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，相机驱动模块2驱动相机1获取图像数据；

步骤2，CPLD3、第一DSP4和第二DSP5对图像数据并行处理，包括图像分割处理、搜索图形轮廓、检测瑕疵和污点以及判定LED晶片20的位置。该步骤中，通过模糊逻辑、递阶识别和统计特性算法，对图像数据进行灰度处理。

步骤3，通过软件平台和人机界面将处理结果输出至共晶焊接主机，并且由共晶焊接主机对LED晶片进行定位。该步骤中，吸嘴拾取LED晶片后，吸嘴在水平方向移动，并由安装在组装头上的相机1采集LED晶片20的图像数据，根据对图像数据的处理结果，使吸嘴在竖直方向移动，并且将LED晶片焊接到陶瓷基板10的预设位置。

关于提高整体检测速度的优化算法和实现技术，由于大功率LED芯片模组的电极间距日益细化，实际检测过程需要多次分块采集和处理图像。重点研究基于模糊逻辑、递阶识别和统计特性等的视觉检测过程优化算法，对图像进行灰度处理，提高图像处理精度以保证组装的精度等级。并采用协同控制算法提高运行速度，有效缩短调整时间，减轻上位机负荷，提高组装可靠性。

对于视觉识别上下目标处理器，通常视觉信息采集系统都采用延长移动的机器手驱动装置的停止时间，根据芯片焊接传输时间进行拍摄，或必须使用2台控制器。本实施例中，多值化处理标准图像和被检查到图像，采用棱镜式上下目标定位，以最快的速度进行拍摄并保存到内部内存里，同时进行图像处理。消除了工件的停止时间和速度限制，能最大限度发挥设备性能，确保每粒芯片与陶瓷支架在焊接吻合率达到100%。

关于共晶焊接过程基于视觉的建模及模型简化，针对共晶焊接过程终端吸嘴及实际工艺需要，以视觉检测的输出结果作为控制系统的反馈信号并考虑到检测过程的随机滞后特点，采用分析力学等工具建立基于视觉检测随机滞后的共晶焊接生产过程模型。同时，根据组装任务的工艺特点进行模型简化，重点研究组装运动控制、吸取过程和吸嘴运动/力控制等三大主要子系统的模型简化问题。

关于运动/力协同控制算法，根据动力学模型特点，研究在多目标识别和操作任务下的各种运动/力自适应协同控制问题。考虑到焊接过程中运动控制、吸取过程和吸嘴运动/力控制三个子系统的各自特点，采用精确线性化、变结构控制等方法研究组装运动控制子系统的高速高精度鲁棒控制问题，采用各种自适应鲁棒控制方法研究吸取过程和吸嘴位置/力控制两大子系统的运动/力协同控制问题。然后再进一步研究各种基于多目标识别、检测随机滞后和运动过程的高速高精度运动/力协同优化控制算法，提高焊接过程的抗干扰能力和对元器件类型的自适应能力，从而从根本上解决目前采用顺序控制方式而难于再提高共晶焊接生产速度的瓶颈理论和技术难题。

关于高速高精度高可靠性焊接问题，针对下一代大功率LED芯片模组的多芯片集成化发展趋势，研究微位移压电传感器在共晶焊接过程的应用问题，重点研究采用压电传感器作为微位移传感器时，吸嘴运动控制与压电传感器回滞特性的混合建模与协同控制问题。并开展实验研究，为自适应位置/力控制算法的实现奠定实验基础。

关于算法实验与实际应用，在自主共晶焊接研发平台上，将各种算法嵌入到软件系统开展实验研究工作，在通过稳定性和可靠性等实验后再具体应用于目前国际主流大功率LED芯片模组共晶焊过程，为进一步的连续生产应用提供科学理论依据。

上述LED晶片共晶焊接视觉定位装置包含如下技术指标：图像处理系统采用彩色图像处理引擎2，通过DSP、CPU、DSP多个处理器件分担任务的方式，使处理速度更快。效率比传统CPU计算速度提高4倍以上，CPU=160ms完成、3+1=40ms完成。视觉系统采用有双缓存，可在处理前一个图像的同时，触发下一个触发信号。系统可实现5.2ms快速抓摄全屏图像和检测时间、每分钟可处理约11500个图像功能是传统6倍。彩色浓淡处理功能可以通过色调、饱和度及明亮度优化色彩层次。这样可以降低对比度图像转换为色差明显的图像。传统的全色处理方式抽取所有颜色变化，很难区分合格与不合格。而采用彩色浓淡处理凡是则有所不同，它可以最大限度的突出用户指定颜色和背景之间的色差。根据边缘检测和模型搜索获得的位置数据检测各种几何尺寸、两点距离、两点直线角度、圆半径、圆心、平均角度、直线、交点、点到线的距离、线角度、两线交点、点与线之间的垂直线、中心点。反光消除功能解决了在彩色图像上使用彩色处理方式时检测变化的难题。该功能可忽略物体背景的反光和光照变化，只检测色调和饱和度存在差异的区域。从而为区域应用提供稳定的检测性能。瑕疵检测功能是被要检测的物体表面内的缺陷，使用500万像素检测视野为20x20mm可检测最小面积的瑕疵为8x8um。高速精准识别定位中，定位精度：±10um以内识别定位时间：30ms-40ms完成。图像处理时间500万像素图像处理时间在40ms以内完成。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种LED晶片共晶焊接视觉定位装置，其特征在于，包括有依次连接的相机和相机驱动模块，所述相机驱动模块分别连接有CPLD、第一DSP和第二DSP，所述CPLD、第一DSP和第二DSP均连接于输出接口，并且通过该输出接口连接于共晶焊接主机，所述相机驱动模块通过所述相机获取图像数据，所述CPLD、第一DSP和第二DSP对图像数据并行处理，并且根据处理结果控制共晶焊接主机对LED晶片定位；所述共晶焊接主机上放置有陶瓷基板，所述陶瓷基板上设有第一缺角检测部、第二缺角检测部和缝隙部，所述CPLD根据所述图像数据中LED晶片与第一缺角检测部和第二缺角检测部的距离确定该LED晶片的位置。

2.如权利要求1所述的LED晶片共晶焊接视觉定位装置，其特征在于，所述陶瓷基板上方设有能够在水平方向移动的组装头和吸嘴，所述相机设于组装头上，所述吸嘴用于拾取LED晶片，并且将LED晶片放置于陶瓷基板。

3.一种LED晶片共晶焊接视觉定位控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，相机驱动模块驱动相机获取图像数据；

步骤2，CPLD、第一DSP和第二DSP对图像数据并行处理，包括图像分割处理、搜索图形轮廓、检测瑕疵和污点以及判定LED晶片的位置；

步骤3，通过软件平台和人机界面将处理结果输出至共晶焊接主机，并且由共晶焊接主机对LED晶片进行定位。

4.如权利要求3所述的LED晶片共晶焊接视觉定位控制方法，其特征在于，所述步骤2中，通过模糊逻辑、递阶识别和统计特性算法，对图像数据进行灰度处理。

5.如权利要求3所述的LED晶片共晶焊接视觉定位控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：吸嘴拾取LED晶片后，吸嘴在水平方向移动，并由安装在组装头上的相机采集LED晶片的图像数据，根据对图像数据的处理结果，使吸嘴在竖直方向移动，并且将LED晶片焊接到陶瓷基板的预设位置。